光氧化对二维层状黑磷及异质结激发态性质影响机制的多体格林函数理论研究

The unique structure of two-dimensional (2D) materials can organically combine the excellently optical and electrical properties on the microscale and the ultra-thin and flexible qualities on the macroscale, inducing to realize the devices miniaturization and functions maximization. Thus, 2D materials have potential application values on the field of biology, imaging, energy storage and energy conversion. Because of the tunable direct electronic band gap and anisotropic in-plane properties, layered black phosphorus (b-P) is promising for novel applications in nanoelectronics and nanophotonics. Main problem of the application of b-P to devices is the photooxidation happening in the presence of the moisture and oxygen in air. But it is not clear that what extent photooxidation will change the excited-state properties of 2D layered b-P and Heterojunction. In this project, based on the first-principle many-body Green’s function theory (MBGFT), we pay our attention on the influence of the different oxygen defects and phosphorus oxide on the excited-state properties of few-layer b-P, especially for the regulation of defects and the complex dynamics behavior of electron and exciton at the interface between phosphorus oxide layer and b-P layer. Furthermore, we will study the Van der Wals heterojunction based on b-P and discuss the charge transport and separation mechanism. All these studies will put further application of 2D b-P material into more electronic and optoelectronic devices.

二维材料独特的结构将材料微观下优异的光学和电学性质与宏观下的超薄性和柔韧性有机结合在一起，从而实现器件微型化和功能最大化，所以二维材料将在生物、成像、能量存储及转换等领域具有潜在的应用价值。二维层状黑磷由于其可调谐直接带隙和光学各向异性成为纳米光电子领域的材料新宠，而在空气中易进行光氧化是目前二维黑磷应用面临的主要问题，其中光氧化对少层黑磷及异质结的激发态光学性质影响的理论机制还不明确。本项目拟采用第一性原理为基础的多体格林函数理论，系统研究光氧化造成的不同形式的氧缺陷和磷氧化物层对少层黑磷激发态性质的影响，阐述缺陷和掺杂在调控少层黑磷激发态性质中的作用，明确磷氧化物层与内层黑磷界面处的电子和激子动力学行为。通过不同黑磷范德华异质结的理论研究，讨论异质结内部激发态电荷转移及分离机理，推动二维黑磷材料在更多光电子器件领域的应用。

石墨烯的发现打开了二维材料之门,使人们得以在二维尺度空间研究材料的特殊性能。随后一大批新型的二维类石墨烯材料在实验上被成功合成，随之引起了二维范德华材料的研究热潮，然而二维材料稳定性差是限制其应用的一个重要因素，例如二维黑磷，表面容易氧化生成氧缺陷和层状磷氧化物。首先，本项目探讨了不同形式黑磷氧化物对于二维少层黑磷物理化学性质的影响机制；从而阐明了表面悬挂氧是最稳定的黑磷氧化物形式，该氧化形式造成了黑磷电子结构以及激发态光吸收的变化，这对于二维黑磷及其氧化物在光电器件领域的应用提供了理论数据；还研究了二维黑磷的压电性质，引入O原子可以有效的增强黑磷氧化物的压电性质，随着O浓度增加，压电系数大致上是增加的趋势，其中P4O2具有最大的压电系数，其明显的压电性质使二维单层黑磷氧化物材料在纳米晶体管和能量转化装置中有潜在的应用价值，这也拓宽了关于二维层状黑磷研究的范围。其次，本项目还预测了一些列类黑磷结构的具有超高压电系数的二维材料，例如α-SbAs （d11=243.45 pm/V）和BiInTe3 （d11=362 pm/V），是截至目前报道的最大的二维材料压电系数，首次达到了三维压电陶瓷PZT（360 pm/V）的水平，研究表明二维材料将来可能是含铅PZT压电陶瓷材料的潜在替代品，该类二维材料具有的巨大的压电性，使其在传感器和能量收集器等原子厚度的压电设备中具有巨大的潜在应用价值。最后，本项目还预测了一些热力学和动力学稳定的二维材料，包括β-GeS和InTeI，其中单层β-GeS是具有良好热释电响应和压电响应的室温铁电材料，而单层InTeI是具有宽带隙、良好稳定性和超高各向异载流子迁移率的二维材料。本项目关于新型二维材料电子结构、光学性质、压电性质和铁电极化性质的理论研究对于二维材料发展具有良好的推动作用。